[发明专利]一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达

权利要求书

1.一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，包括激光发射模块(1)、望远镜接收模块(2)以及和频与鉴频模块(3)，其特征在于：

所述激光发射模块(1)发射单频脉冲激光光束到探测目标，产生激光雷达回波信号。所述望远镜接收模块(2)接收激光雷达回波信号并将其分束成偏振通道和混合通道，其中，混合通道信号由光纤耦合器耦合进单模光纤后由和频与鉴频模块(3)处理。所述和频与鉴频模块(3)用于产生混合通道和高光谱分辨通道，通过联立两个通道的激光雷达方程精确反演所测光学参数。所述的激光发射模块(1)中，连续波单频种子激光器(1-1)激发产生的散射光中心频率和连续波单频泵浦激光器(1-8)产生泵浦光中心频率和频后产生和频光信号，和频信号频率落在和频与鉴频模块(3)中带有温控系统的鉴频分子吸收池(3-9)分子的某一吸收谱线中心频率上；混合通道信号B_C与高光谱分辨通道信号B_H强度分别表示如下：

B_C＝η_C·(β_a+β_m)·exp(-2τ),

B_H＝η_U·η_H·(Aβ_a+Bβ_m)·exp(-2τ).

其中，β_a和β_m分别是气溶胶和分子的后向散射系数，τ是光学厚度，η_U是和频过程转换效率，η_H是除非线性转换和鉴频分子吸收池外的高光谱通道的接收效率，A和B是高光谱分辨通道接收到的气溶胶散射和分子散射的信号透过率，η_T是混合通道的接收效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，其特征在于：所述的激光发射模块(1)包括连续波单频种子激光器(1-1)、声光调制器(1-2)、任意波形发生器(1-3)、光纤放大器(1-4)、光隔离器(1-5)、光纤准直器(1-6)、激光扩束镜(1-7)、连续波单频泵浦激光器(1-8)、光纤放大器(1-9)、波分复用器(1-10)、锁频控制系统(1-11)和带有温控系统的锁频分子吸收池(1-12)。连续波单频种子激光器(1-1)出射光通过声光调制器(1-2)被切割成脉冲串，声光调制器由任意波形发生器(1-3)驱动；脉冲串被馈送到光纤放大器(1-4)中进行脉冲能量放大；之后，激光脉冲通过光纤准直器(1-6)从光纤中耦合成空间光，并通过激光扩束镜(1-7)压缩激光发散角后出射。光隔离器(1-5)阻挡回射激光损坏激光器。连续波单频种子激光器(1-1)和连续波单频泵浦激光器(1-8)产生激光同时输入锁频控制系统(1-11)产生和频信号后通过带有温控系统的锁频分子吸收池(1-12)后馈送至锁频控制系统(1-11)，锁频控制系统(1-11)产生控制信号调谐连续波单频泵浦激光器(1-8)频率以锁定到连续波单频种子激光器(1-1)频率上，频率锁定偏差小于20MHz。从连续波单频泵浦激光器(1-8)出射的连续激光脉冲经由光纤放大器(1-9)放大后，再通过波分复用器(1-10)抑制残留的放大自发辐射噪声；泵浦激光通过半波片(1-11)调节偏振态后出射，作为和频光之一。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，其特征在于，所述的连续波单频种子激光器(1-1)和连续波单频泵浦激光器(1-8)线宽均小于100MHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于上转换的高光谱分辨率激光雷达，其特征在于：所述的和频与鉴频模块(3)包括二向色镜(3-1)、会聚透镜(3-2)、带有半导体制冷器的周期性极化铌酸锂晶体(3-3)、二向色镜(3-4)、窄带滤光片(3-5)、分光棱镜(3-6)、透镜(3-7)、光电倍增管(3-8)、带有温控系统的鉴频分子吸收池(3-9)、透镜(3-10)和光电倍增管(3-11)；二向色镜(3-1)将两束和频光合束后传输到带有半导体制冷器的周期性极化铌酸锂晶体(3-3)，会聚透镜(3-2)会聚和频的两束光。使用半导体制冷器调节周期性极化铌酸锂晶体(3-3)的温度来实现优化的准相位匹配条件；然后将后向散射光子转换为和频光子，通过二向色镜(3-4)和窄带滤光片(3-5)分离和频光子；和频光子通过固定比例的分光棱镜(3-6)分为高光谱分辨通道和混合通道；对于混合通道，和频光子信号经由透镜(3-7)聚焦到和光电倍增管(3-8)上；对于高光谱分辨通道，和频光子信号通过带有温控系统的鉴频分子吸收池(3-9)，其中米散射信号产生的和频光子被分子吸收滤除，瑞利散射信号产生的和频光子按照一定透过率通过分子吸收池经由透镜(3-10)聚焦到光电倍增管(3-11)上。